DE2727305A1 - Rod contg. fine silicon crystals - made by chemical vapour deposition and then zone melted to mfr. monocrystalline silicon rod - Google Patents

Abstract

Fine silicon crystals are deposited onto a heated substrate. The Si is obtd. from a reaction gas mixt. contg. a halosilane and H2 and flowing through a reactor contg. the substrate. The process commences with a high molar ratio (MR) in the reaction gas, a high gas flow, and an optimum deposition temp. (DT). During the process the MR, gas flow and DT are lowered or raised according to a prescribed program. The process pref. starts using MR of SiHCl3/H2 = 0.5 and optimum DT 1100 degrees C. Gas flow is pref. 3000-15,000 l/h. After 10 minutes deposition, the MR is pref. reduced to 0.2 and, when half the desired Si rod dia. has been reached, the DT s reduced by max. 200 degrees C for one hour, and the gas flow reduced to 1/4 with MR increased to 0.5. The step involving a temp. decrease of max. 200 degrees C and redn. in gas flow may be repeated for max. three times. With conventional prodn. of polycrystalline rods, coarse crystals can occur which cause dislocations during subsequent zone melting of the rods to produce monocrystalline rods, e.g. for semiconductor mfr. This problem is avoided.

Description

Verfahren zum Abscheiden von feinkristallinem Silicium aus derProcess for depositing finely crystalline silicon from the

Gasphase an der Oberfläche eines erhitzten Trägerkörpers.Gas phase on the surface of a heated support body.

Die vorliegende Patentanmeldung betrifft ein Verfahren zur Abscheidung von feinkristallinem Silicium aus der Gas phase an der Oberfläche eines erhitzten Trägerkörpers unter Verwendung eines aus Halogensilan und Wasserstoff bestehenden Reaktionsgases, welches das den erhitzten Trägerkörper enthaltende Reaktionsgefäß durchströmt und bei dem der Durchsatz des Reaktionsgases und das Molverhältnis während der Abscheidung geändert wird.The present patent application relates to a method for deposition of finely crystalline silicon from the gas phase on the surface of a heated Support body using one consisting of halosilane and hydrogen Reaction gas, which the heated support body containing the reaction vessel flows through and in which the throughput of the reaction gas and the molar ratio during the deposition is changed.

Ein ähnliches Verfahren ist aus der DT-PS 1 123 300 bekannt, bei dem es sich darum handelt, die Abscheidung von in dem Reaktionsgas anwesendem Bor dadurch zu unterbinden, daß zu Beginn des Abscheideprozesses mit geringerem Durchsatz des Reaktionsgasgemisches gearbeitet und dann der Durchsatz allmählich erhöht wird.A similar method is known from DT-PS 1 123 300, in which it is the deposition of boron present in the reaction gas as a result to prevent that at the beginning of the separation process with a lower throughput of the Reaction gas mixture worked and then the throughput is gradually increased.

Die vorliegende Erfindung beruht hingegen auf einem anderen Effekt. Es wurde nämlich festgestellt, daß während der Abscheidung bei der Herstellung von polykristallinen Siliciumstäben zeitweise ein grobkristallines Wachstum auftritt, welches bei der nachfolgenden Herstellung der Einkristallstäbe aus diesen Polystäben durch das tiegelfreie Zonenschmelzen zu erheblichen Kristallgitterstörungen führt.On the other hand, the present invention is based on a different effect. It was found that during the deposition in the manufacture of polycrystalline silicon rods occasionally a coarse crystalline growth occurs, which in the subsequent production of the single crystal rods from these poly rods the crucible-free zone melting leads to considerable crystal lattice disturbances.

Dieses grobkristalline Wachstum wurde bisher dadurch vermieden, daß die optimale Abscheidetemperatur abgesenkt wurde, wodurch natürlich auch die Abscheiderate vermindert und damit die Ausbeute an Silicochloroform im Reaktionsgas verschlechtert wird.This coarse crystalline growth has hitherto been avoided in that the optimum separation temperature has been lowered, which of course also reduces the separation rate reduced and thus worsened the yield of silicochloroform in the reaction gas will.

a - a A S Bekanntlich wird nämlich die Temperatur der Trägeroberfläche und das Molverhältnis im Reaktionsgas so eingestellt, daß die spezifische Abscheiderate ein Optimum, insbesondere ein Maximum, erreicht. a - a A S As is well known, the temperature is the support surface and the molar ratio in the reaction gas adjusted so that the specific deposition rate an optimum, in particular a maximum, is reached.

Die Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegt, besteht nun in der Herstellung von feinkristallinen Siliciumpolystäben, bei denen die Abscheiderate möglichst hoch und damit die Ausbeute an Silicochloroform im Reaktionsgas für die Abscheidung optimal ist.The object on which the present invention is based exists now in the production of finely crystalline silicon polystäben, in which the deposition rate As high as possible and thus the yield of silicochloroform in the reaction gas for the Deposition is optimal.

Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gelöst, daß sowohl das Molverhältnis im Reaktionsgas als auch die Abscheidetemperatur und der Gasdurchsatz, beginnend mit einem hohen Molverhältnis, einem hohen Gasdurchsatz und einer optimalen Abscheidetemperatur, während der Abscheidung nach einem vorgegebenen Programm vermindert bzw. erhöht wird.This object is achieved by the method according to the invention in that that both the molar ratio in the reaction gas and the deposition temperature and the gas throughput, starting with a high molar ratio, a high gas throughput and an optimal deposition temperature, during the deposition according to a predetermined one Program is decreased or increased.

Dabei liegt es im Rahmen der Erfindung, daß das Molverhältnis zu Beginn der Abscheidung auf 0,5 und die optimale Abscheidetemperatur auf 11000C eingestellt wird. Zweckmäßigerweise wird während der Abscheidung mit einem Gasdurchsatz im Bereich von 3000 bis 15.000 l/h gearbeitet. Unter dem Begriff "Gasdurchsatzt' wird dabei die Menge des in der Zeiteinheit dem erhitzten Trägerkörper entlangströmenden Reaktionsgases verstanden.It is within the scope of the invention that the molar ratio is at the beginning the deposition is set to 0.5 and the optimal deposition temperature is set to 11000C will. It is expedient to use a gas throughput in the area during the deposition worked from 3000 to 15,000 l / h. The term "gas throughput" is used here the amount of the reaction gas flowing along the heated carrier body in the unit of time Understood.

Die Reaktionsgasgeschwindigkeit wird dabei umso größer, je größer man den Durchsatz einstellt. Erfahrungsgemäß ist die Abscheidungsgeschwindigkeit von Silicium bei konstanter Trägertemperatur neben dem Molverhältnis vom Durchsatz an Silicochloroform und Wasserstoff abhängig.The speed of the reaction gas becomes greater, the greater adjust the throughput. Experience has shown that the rate of deposition is of silicon at constant carrier temperature in addition to the molar ratio of throughput dependent on silicochloroform and hydrogen.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel nach der Lehre der Erfindung wird nach etwa zehnminütiger Abscheidung bei hohem Molverhältnis das Molverhältnis auf 0,2 abgesenkt.According to an embodiment according to the teaching of the invention after about ten minutes of deposition at a high molar ratio, the molar ratio increases 0.2 lowered.

Es liegt im Rahmen des Erfindungsgedankens, daß nach Erreichen etwa des halben Stabdurchmessers für ca. eine Stunde die Abschei- detemperatur um maximal 200 C abgesenkt und das Molverhältnis bei auf ein Viertel reduziertem Gasdurchsatz von 0,07 bis 0,15 auf 0,5 erhöht wird. Dieser Vorgang wird im weiteren Verlauf der Abscheidung bis maximal dreimal wiederholt.It is within the scope of the inventive concept that after reaching about of half the rod diameter for about an hour temperature lowered by a maximum of 200 C and the molar ratio reduced to a quarter Gas throughput is increased from 0.07 to 0.15 to 0.5. This process is described in the following The deposition process is repeated up to a maximum of three times.

Durch das Verfahren nach der Lehre der Erfindung gelingt es, da sich bei dem sehr hohen Molverhältnis ein sehr feines Korn ausbildet und abscheidet, die Ausbildung von grobkörnigem Material bei weiterem Wachstum völlig zu unterbinden und dadurch zu gewährleisten, daß polykristalline Siliciumstäbe mit einheitlich feinkristalliner Struktur entstehen. Durch das laufende Andern der Abscheideparameter zu Beginn der Abscheidung und auch bei sich während der Abscheidung verdickendem Stab wird auf der für die Abscheidung vorgesehen Oberfläche durch die intermittierende feinkristalline Abscheidung eine sehr gleichmäßige Siliciumschicht aufgebracht. Es entstehen keine das Wachstum störenden groben Körner, weil durch das feine Korn eine Keimbildung für die weitere Abscheidung stattgefunden hat.The method according to the teaching of the invention succeeds in that at the very high molar ratio, a very fine grain forms and separates, to completely prevent the formation of coarse-grained material with further growth and thereby ensuring that polycrystalline silicon rods with uniform fine crystalline structure arise. By constantly changing the separation parameters at the beginning of the deposition and also when thickening during the deposition Rod is placed on the surface intended for deposition by the intermittent fine crystalline deposit a very even silicon layer is applied. There are no coarse grains that interfere with growth because of the fine grain nucleation for further deposition has taken place.

Das Verfahren nach der Lehre der Erfindung zeichnet sich gegenüber dem bekannten Verfahren dadurch aus, daß auch bei der Herstellung sehr feinkristalliner Siliciumpolystäbe eine Einsparung an Silicochloroform um 25 - 30 %, eine Einsparung an Wasserstoffgas von etwa 20 - 25 % und durch die Tatsache, daß eine sehr hohe Abscheidungsrate (400 g/h) und damit eine Verkürzung der Abscheidezeit erzielt wird, eine Einsparung an elektrischer Energie von etwa 20 % erreicht wird.The method according to the teaching of the invention is distinguished from one another the known method characterized in that very finely crystalline in the production Silicon poly rods save 25-30% in silicochloroform, a saving in hydrogen gas of about 20 - 25% and by the fact that a very high Deposition rate (400 g / h) and thus a reduction in the deposition time is achieved, a saving in electrical energy of around 20% is achieved.

Die in der Figur dargestellte Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens enthält ein zur Abscheidung von polykristallinem Silicium übliches Reaktionsgefäß, welches aus einer metallischen Grundplatte 1 aus gegen die zu verwendenden Reaktionsgase beständigem Metall sowie einer gasdicht auf die Platte 1 aufgesetzten Haube 2 aus Quarz besteht. Durch die metallische Grundplatte sind gasdicht und elektrisch gegeneinander isoliert Elektroden 4 hindurchgeführt, welche mit je einem Ende eines aus hochreinem Silicium bestehenden, stabförmigen, U-förmig gebogenen Trägerkörpers 3 verbunden sind. Durch die metallische Grundplattel ist eine in das Innere des Reaktibnsraumes reichende und der Zuführung des frischen Reaktionsgases dienende Düse 5 geführt, die im Ausführungsbeispiel konzentrisch von dem Abzugsrohr 6 für das verbrauchte Reaktionsgasgemisch umgeben ist. Auch hier ist für eine gasdichte Verbindung mit der Grundplatte und damit für einen hermethischen Abschluß des Reaktionsraumes gesorgt.The device shown in the figure for carrying out the invention Process contains a reaction vessel customary for the deposition of polycrystalline silicon, which consists of a metallic base plate 1 against the reaction gases to be used resistant metal and a gas-tight hood 2 placed on the plate 1 Quartz is made of. Due to the metallic base plate, they are gas-tight and electrically against each other insulated electrodes 4 passed through, each with one end of a highly pure Silicon existing, rod-shaped, U-shaped curved support body 3 connected are. Through the metallic base plate is one in the inside the reaction space reaching and serving to supply the fresh reaction gas Nozzle 5 out, which in the embodiment concentrically from the exhaust pipe 6 for the consumed reaction gas mixture is surrounded. Here, too, is for a gas-tight Connection to the base plate and thus for a hermetic seal of the reaction space taken care of.

Für das erfindungsgemäße Verfahren ist zunächst vorgesehen, daß die den zur Beheizung des stabförmigen Trägers 3 benötigten elektrischen Heizstrom liefernde Stromquelle 7 so beschaffen ist, daß während des gesamten Abscheidungsprozesses die Temperatur an der Oberfläche des stabförmigen Trägerkörpers auf den einmal eingestellten, nach dem Gesichtspunkt einer optimalen Abscheidung von Silicium eingestellten, z. B. 11000C betragenden Wert, bleibt. Wichtig ist dabei, daß der Effektivwert des Heizstroms mit zunehmender Dauer der Abscheidung gesteigert wird, da ja auch die abgeschiedenen Siliciumschichten stromführend sind.For the method according to the invention it is initially provided that the supplying the electrical heating current required for heating the rod-shaped carrier 3 Power source 7 is such that during the entire deposition process the temperature on the surface of the rod-shaped support body on the once set, adjusted from the point of view of an optimal deposition of silicon, e.g. B. 11000C value remains. It is important that the effective value of the Heating current is increased with increasing duration of the deposition, since yes also the deposited silicon layers are current-carrying.

Zur Erzeugung des Reaktionsgases ist ein Reservoir 11 für Wasserstoff vorgesehen. Der aus dem Behälter 11 ausströmende Wasserstoff gelangt über einen Strömungsmesser 12 über einen mit flüssigem Silicochloroform gefüllten Verdampfer 13, dessen Ausgang in die Versorgungsdüse 5 im Reaktionsgefäß überleitet. Zur Einstellung der Temperatur im Verdampfer 13 ist dieser in einem Thermostaten 14 untergebracht. Die Menge an im Wasserstoffgas mitgeführtem Silicochloroform wird als das Molverhältnis (MV) bezeichnet.A reservoir 11 for hydrogen is used to generate the reaction gas intended. The hydrogen flowing out of the container 11 passes through a Flow meter 12 through an evaporator filled with liquid silicochloroform 13, the output of which leads into the supply nozzle 5 in the reaction vessel. To recruitment the temperature in the evaporator 13, this is housed in a thermostat 14. The amount of silicochloroform entrained in hydrogen gas is expressed as the molar ratio (MV).

Bei der Durchführung des Verfahren nach der Lehre der Erfindung wird am Anfang der Abscheidung (5 mm Ausgangsstab aus Silicium als Trägerkörper) ein Molverhältnis von 0,5 eingestellt, welches nach etwa 10 Minuten auf 0,2 abgesenkt und dann zwei Stunden lang auf diesem Wert gehalten wird. Dann wird, etwa nach Erreichen eines Stabdurchmessers von 15 bis 40 mm, je nach Feststellung, ob ein grobkörniges Aufwachsen von Silicium stattfindet oder stattgefunden hat, für ca. eine Stunde das Molverhältnis auf 0,5 erhöht und der Gasdurchsatz bis auf ein Viertel des ursprünglich eingestellten Gasdurchsatzes (etwa von 16.000 l/h auf 4000 l/h) reduziert und die Abscheidetemperatur von etwa 11000C auf 10000C abgesenkt. Dabei beginnt dann eine "Ausheilung" der "grobkörnigen" Staboberfläche durch Abscheidung von sehr feinkristallinem Silicium. Nachdem die Trägeroberfläche bezüglich ihrer kristallinen Struktur wieder vergleichmäßigt (oder "ausgeheilt") ist, wird mit den normalen Abscheideparametern (z. B. MV 0,12, Gasdurchsatz 8000 l/h, Trägertemperatur 11000C) gearbeitet und die Abscheidung etwa 10 Stunden fortgesetzt. Im Bedarfsfall wird dann der Vorgang der Ausheilung nochmals wiederholt.When carrying out the method according to the teaching of the invention at the beginning of the deposition (5 mm starting rod made of silicon as carrier body) Set molar ratio of 0.5, which decreased to 0.2 after about 10 minutes and then held there for two hours. Then, about after reaching a rod diameter of 15 to 40 mm, depending on whether a coarse-grained Growing up of silicon takes place, or has taken place, for about an hour the molar ratio increased to 0.5 and the gas throughput up to a quarter of the original set gas throughput (approximately from 16,000 l / h to 4000 l / h) and the Deposition temperature from about 11000C to 10000C lowered. Included Then "healing" of the "coarse-grained" rod surface begins by deposition of very finely crystalline silicon. After the carrier surface with respect to their crystalline structure is evened out (or "healed") with the normal separation parameters (e.g. MV 0.12, gas throughput 8000 l / h, carrier temperature 11000C) and the deposition continued for about 10 hours. If necessary the process of healing is then repeated again.

7 Patentansprüche 1 Figur7 claims 1 figure

Claims (7)

Patentansprüche j Verfahren zum Abscheiden von feinkristallinem Silicium aus der Gasphase an der Oberfläche eines erhitzten Trägerkörpers unter Verwendung eines aus Halogensilan und Wasserstoff bestehenden Reaktionsgases, welches das den erhitzten Trägerkörper enthaltende Reaktionsgefäß durchströmt und bei dem der Durchsatz des Reaktionsgases und das Molverhältnis während der Abscheidung geändert wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß sowohl das Molverhältnis im Reaktionsgas als auch die Abscheidetemperatur und der Gasdurchsatz, beginnend mit einem hohen Molverhältnis, einem hohen Gasdurchsatz und einer optimalen Abscheidetemperatur, während der Abscheidung nach einem vorgegebenen Programm vermindert bzw. erhöht wird.Claims j method for depositing finely crystalline silicon from the gas phase on the surface of a heated support body using a reaction gas consisting of halosilane and hydrogen, which the heated carrier body containing reaction vessel flows through and in which the throughput of the reaction gas and the molar ratio is changed during the deposition, d a d u r c h e k e n n n z e i c h n e t that both the molar ratio in the reaction gas as well as the deposition temperature and the gas throughput, starting with a high one Molar ratio, a high gas throughput and an optimal separation temperature, decreased or increased during the deposition according to a predetermined program will. 2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß das Molverhältnis zu Beginn der Abscheidung auf 0,5 eingestellt wird.2. The method according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t that the molar ratio is set to 0.5 at the beginning of the deposition. 3. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t , daß mit einem Gasdurchsatz im Bereich von 3000 bis 15.000 l/h gearbeitet wird.3. The method of claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t that worked with a gas throughput in the range from 3000 to 15,000 l / h will. 4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß die optimale Abscheidetemperatur auf 11000C eingestellt wird.4. The method according to claim 1 to 3, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that the optimal deposition temperature is set to 11000C. 5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß nach ca. zehnminütiger Abscheidung bei hohem Molverhältnis das Molverhältnis auf 0,2 abgesenkt wird.5. The method according to claim 1 to 4, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that after about ten minutes of deposition at a high molar ratio that Molar ratio is lowered to 0.2. 6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t , daß nach Erreichen etwa des halben Stabdurchmessers für ca. eine Stunde die Abscheidetemperatur um maximal 2000C abgesenkt und das Molverhältnis bei auf ein Viertel reduziertem Gasdurchsatz von 0,07 bis 0,15 auf 0,5 erhöht wird.6. The method according to claim 1 to 5, d a d u r c h g e k e n n -z e i c h n e t that after reaching about half the rod diameter for about an hour the deposition temperature lowered by a maximum of 2000C and the molar ratio at a quarter of the reduced gas throughput is increased from 0.07 to 0.15 to 0.5. 7. Verfahren nach Anspruch 6,d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n s t , daß dieser Vorgang im weiteren Verlauf der Abscheidung bis maximal dreimal wiederholt wird.7. The method according to claim 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n s t that this process in the further course of the deposition up to a maximum of three times is repeated.